文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介紹了DFT設計的必要性、原理、方法和應用。

可測性設計（Design for Testability, DFT）是芯片設計中的關鍵技術，全稱為設計用于測試。它是指在芯片生產制造過程中，由于不可避免的制造缺陷，如金屬線短路、斷路或摻雜濃度異常，可能導致電路邏輯故障和芯片系統失靈，因此在設計階段插入相關測試邏輯，以便在制造過程中或之后進行測試，篩選出有缺陷的芯片，避免流入市場或客戶手中。隨著集成電路復雜度的急劇增加，邏輯門數量龐大，如何確保每個芯片在制造過程中正常工作成為重要課題，DFT在此背景下發揮著關鍵作用。

測試的必要性

芯片測試是通過在芯片輸入端施加已知的激勵信號，并觀察輸出端的響應，來判斷芯片是否存在故障。測試主要分為制造測試和功能測試：制造測試在芯片出廠前進行，用于篩選由于工藝缺陷導致的廢片，包括晶圓測試和封裝測試；功能測試則確保芯片在實際應用中的正確性，通過驗證用例檢查芯片設計是否100%正確。

然而，隨著納米技術的出現，芯片制造過程越來越復雜，晶體管密度增加，導致導線短路或斷路的概率增大，芯片失效可能性大大提升。測試費用可達到制造成本的50%以上。

制造過程中可能出現各種物理缺陷，如互連線的橋接或斷路、CMOS晶體管的柵氧短路、掩膜光刻錯誤和硅片缺陷等，這些缺陷會導致電氣故障，最終可能引起芯片失效。在關鍵應用中，如醫療設備、汽車電子或航空航天，芯片故障可能導致嚴重后果，因此測試需在極端條件下進行。

測試成本遵循十倍原則，從芯片級到板級再到系統級，成本遞增，因此盡早發現缺陷可以顯著減少損失。DFT通過在設計階段添加測試功能，使測試變得可行且成本效益高，優化了芯片制造過程，實現了品控和制造能力監控。

DFT的基本原理與概念

DFT的核心在于增強芯片的可控性和可觀測性。可控性是指能夠通過外部輸入信號將測試激勵施加到需要測試的內部邏輯節點上，使其被賦值為任何想要的值；可觀測性是指能夠通過外部輸出端口監測內部節點的響應值，便于觀測和比較。這兩個特性使得測試過程能夠全面覆蓋芯片內部邏輯，無需關心芯片的實際功能，降低了測試復雜度，提升了設計方法的通用性。

在芯片制造過程中，缺陷可能導致故障，故障是缺陷的電氣表現形式，常見的故障模型包括固定故障（如引腳端口短路到電源或地）、跳變故障和路徑延時故障（如門級端口的慢升慢降）、以及靜態電流型故障（導致高靜態電流泄露）。如果故障能向后傳播并被觀測到，導致芯片行為不符合預期，則稱為失效。并非所有故障都會導致失效，只有影響功能的故障才會引起問題。

主要DFT技術與方法

掃描測試是DFT的常用方法，通過將普通寄存器替換為掃描寄存器，并串聯成掃描鏈。在測試模式下，執行移入操作將測試數據通過掃描鏈移入內部寄存器，使用低頻時鐘保證準確性；然后進行捕獲操作，在功能時鐘頻率下捕獲數據，針對固定故障使用低速時鐘（10~50MHz），針對跳變或延遲故障使用系統功能時鐘頻率（10MHz~GHz）；最后通過移出操作將捕獲的數據移出進行分析。

內置自測試（BIST）針對存儲器單元，如SRAM、DRAM，通過插入特定測試邏輯，內部生成測試向量并比較結果，檢測物理缺陷如短路、斷路，無需外部測試設備。

邊界掃描用于驗證芯片引腳連接性，通過為IO端口的每個輸入輸出插入掃描測試單元并串聯成鏈，實現IO測試和板級測試。

自動測試向量生成（ATPG）則通過軟件自動生成測試向量，應用于生產測試中，通過比較實際輸出與期望輸出判斷芯片好壞。

這些技術共同解決了時序電路測試難題，并將不易測試的時序電路轉換為易測試的組合電路。測試流程包括給待測電路施加測試向量，然后將輸出響應與期待響應比較，一致則通過，不同則失敗。

DFT的應用

DFT技術廣泛應用于各類芯片，如處理器、存儲器和專用芯片。例如，中科本原的實時控制系列DSP芯片憑借完善的DFT架構，集成了掃描鏈、BIST和邊界掃描，確保了在工業控制、汽車電子、航空航天等高風險領域的高可靠性和穩定性。DFT設計提高了測試效率，降低了生產測試成本和時間，并增強了芯片在高溫、高濕、強電磁干擾等惡劣環境下的抗干擾能力。它還支持芯片的全生命周期管理，從設計、制造到現場應用均可通過測試手段確保性能一致。

可測性設計在芯片制造和驗證過程中扮演著至關重要的角色。通過合理的設計，DFT大大提高了測試的效率和準確性，確保每一顆芯片都能夠穩定、可靠地工作。隨著芯片技術的不斷發展，測試技術也將進步，DFT為芯片產業的穩健發展保駕護航。